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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Thermoformen von thermoplastischen,
vorzugsweise folienartigen Halbzeugen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches
1 näher
definierten Art und ein Verfahren zum Thermoformen von thermoplastischen,
vorzugsweise folienartigen Halbzeugen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches
7 näher
definierten Art.
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Bei
aus der Praxis bekannten Thermoformprozessen werden folienartige
und im Wesentlichen ebene Halbzeuge bzw. Kunststofffolien zwischen
einem ersten Formteil und einem zweiten Formteil einer Form eines
Werkzeuges eingeklemmt. Anschließend wird ein sogenannter Vorstreckstempel
in Verformungsrichtung des Halbzeuges in einem Innenraum der Form, der
von den beiden Formteilen begrenzt ist, derart bewegt, dass das
erwärmte
Halbzeug in eine definierte Vorverformungslage gebracht wird und
in dieser Vorverformungslage auch gehalten wird. Anschließend wird
das vorgeformte Halbzeug mit in die Form eingebrachter Druckluft
oder über
ein Vakuum in an sich bekannter Art und Weise in seine definierte
Formlage verbracht bzw. ausgeformt, wobei über die eingebrachte Druckluft
oder das Vakuum an dem vorgeformten Halbzeug ein in Verformungsrichtung
wirkendes Druckgefälle
an dem Halbzeug angelegt wird.
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Dabei
ist jedoch von Nachteil, dass das Werkzeug zum Thermoformen mit
einem für
die Bewegung des Vorstreckstempels konstruktiv aufwändigen Antrieb
ausgeführt
werden muss, was zu unerwünscht
hohen Werkzeugkosten führt.
Weiter ist von Nachteil, dass derart verformte Halbzeuge so genannte
Abschreckmarken aufweisen, die durch die Bewegung des Vorstreckstempels
und während
der Verformung des Halbzeugs verursachten Materialdehnungen im Halbzeug
verursacht werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Thermoformen von thermoplastischen, vorzugsweise
folienartigen Halbzeugen zur Verfügung zu stellen, mittels welchen
ein Thermoformprozess verbessert und vereinfacht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches
1 und einem Verfahren gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 7 gelöst.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Thermoformen von thermoplastischen, vorzugsweise folienartigen
Halbzeugen wird ein Thermoformprozess dadurch verbessert und vereinfacht,
dass eine Vorverformung des Halbzeuges mittels eines mit dem ersten
Formteil der Form eines Werkzeuges fest verbundenen Vorstreckstempels
bei geöffneter
Form stattfindet und das Halbzeug erst bei geschlossener Form mittels
eines an dem vorverformten Halbzeug angelegten Druckgefälles in
seine endgültige
Form verbracht wird.
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Das
bedeutet, dass beispielsweise auf einen konstruktiv aufwändigen Antrieb
für den
Vorstreckstempel, welcher bei aus der Praxis bekannten Vorrichtungen
zum Thermoformen erforderlich ist, verzichtet werden kann. Dadurch
wird einerseits ein Steuerungs- und Regelungsaufwand bei der erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung
mit fest stehendem Vorstreckstempel im Vergleich zu aus der Praxis
bekannten Vorrichtungen reduziert, da lediglich eine Bewegung eines
oder beider Formteile der Vorrichtung zum Schließen und Öffnen der Form gesteuert und
geregelt werden muss. Andererseits reduzieren sich ohne den Antrieb
für den
Vorstreckstempel die Werkzeugkosten, so dass auch die Herstellkosten
sinken.
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Zusätzlich besteht
die Möglichkeit,
während des
Vorverformungsprozesses des Halbzeuges durch den Vorstreckstempel,
welcher während
einer Schließbewegung
der Form, d. h. wenigstens teilweise bei geöffneter Form, durchgeführt wird, u.
U. ein Nachziehen von weiterem Halbzeugmaterial in den Innenraum
der Form zuzulassen, so dass eine Veränderung der Dicke des Halbzeuges
während
des Vorverformungsprozesses im Vergleich zu herkömmlichen Thermoformprozessen
reduziert wird.
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Dies
bietet die Möglichkeit,
Halbzeuge mit geringerer Materialstärke als bei herkömmlichen Thermoformverfahren
einzusetzen, wodurch unter anderem während einer dem Verformungsprozess vorgeschalteten
Aufwärmphase
des Halbzeuges ein geringerer Energieeintrag zur Erwärmung des
Halbzeuges erforderlich ist.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Thermoformen von folienartigen Halbzeugen ist in der Zeichnung
während
verschiedener Prozessphasen dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 die
erfindungsgemäße Vorrichtung während einer
ersten Prozessphase mit geöffneter Form;
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2 die
Vorrichtung gemäß 1 während einer
zweiten Prozessphase, während
der ein zu verformendes Halbzeug zwischen die beiden Formteile der
Vorrichtung eingebracht wird;
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3 die
Vorrichtung gemäß 1 während einer
dritten Prozessphase bzw. einer Vorverformungsphase des Halbzeugs;
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4 die
Vorrichtung gemäß 1 am Ende
der Vorverformungsphase, zu dem die Form der Vorrichtung geschlossen
ist;
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5 die
Vorrichtung gemäß 1 am Ende
einer Ausformphase, zu dem das Halbzeug seine endgültige Form
aufweist; und
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6 die
Vorrichtung gemäß 1 am Ende
des Thermoformprozesses, zu dem die Form vollständig geöffnet ist und das ausgeformte
Halbzeug aus der Form entnehmbar ist.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine Vorrichtung 1 zum
Thermoformen von thermoplastischen, vorzugsweise folienartigen Halbzeugen
mit einer aus einem ersten Formteil 2 und einem zweiten
Formteil 3 bestehenden Form 4, in der das thermoplastische und
in 2 näher
dargestellte Halbzeug 7 aus einer im Wesentlichen ebenen
Form in eine gewünschte Verformungslage
gebracht wird.
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Dabei
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 sowie
der erfindungsgemäße Thermoformprozess zur
Herstellung von napfartigen Behältnissen,
vorzugsweise mit runden, ovalen oder ähnlichen Formen, besonders
geeignet. Derartige Behältnisse werden
beispielsweise zur Verpackung von pharmazeutischen Produkten, wie
Tabletten, Kapseln oder dergleichen, verwendet.
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So
ist der Gegenstand nach der Erfindung zur Herstellung von Produkten
geeignet, bei welchen ein am Halbzeug angelegtes Druckgefälle alleine nicht
ausreichend ist, um die gewünschte
endgültige Form
herstellen zu können.
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Die
beiden Formteile 2 und 3 begrenzen in geschlossenem
Zustand der Form 4 einen Innenraum 5 der Form 4,
in dem ein mit dem ersten Formteil 2 bzw. der Maske der
Form 4 fest verbundener Vorstreckstempel 6 angeordnet
ist. Das zweite Formteil 3 bzw. das Formunterteil der Form 4 ist
in Bezug auf das erste Formteil 2 derart verschiebbar angeordnet,
dass das zweite Formteil 3 in die in den 2 bis 6 dargestellten
Positionen bringbar ist. Der dazu erforderliche Antrieb ist aus
der Praxis hinlänglich
bekannt, weshalb auf eine nähere
Beschreibung des Antriebes verzichtet wird.
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Des
Weiteren ist von dem zweiten Formteil 3 der Teil des Innenraums 5 begrenzt,
der die endgültige
Gestalt des Halbzeuges 7 am Ende des Thermoformprozesses
als Negativ darstellt.
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Das
dem zweiten Formteil 3 zugewandte Ende des Vorstreckstempels 6 ist
im Wesentlichen halbkugelförmig
ausgeführt
und kann bei anderen Anwendungen auch mit einer beliebigen anderen Form
ausgeführt
sein. Dabei liegt es selbstverständlich
im Ermessen des Fachmannes, das dem zweiten Formteil 3 zugewandte
Ende des Vorstreckstempels mit einer zur Erreichung der endgültigen Form
des Halbzeuges optimierten Form auszuführen.
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Das
bedeutet, dass die Form des dem zweiten Formteil 3 zugewandten
Endes des Vorstreckstempels 6 in Abhängigkeit der angestrebten endgültigen Form
des zu verformenden Halbzeuges 7 derart angepasst ist,
dass das Halbzeug 7 während
einer Vorverformungsphase des Halbzeugs 7 mittels des Vorstreckstempels 6 in
eine derart definierte Vorverformungslage gebracht wird, das das
Halbzeug 7 während
einer sich daran anschließenden
Verformungsphase, während
der das Halbzeug in seine endgültige
Verformungslage gebracht wird, besonders leicht in seine gewünschte Form
bringbar ist.
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Bezug
nehmend auf 2 ist die Vorrichtung 1 zum
Thermoformen von thermoplastischen Halbzeugen nach wie vor in geöffnetem
Zustand dargestellt, wobei das folienartige, thermoplastische Halbzeug 7 zwischen
die beiden Formteile 2 und 3 in an sich bekannter
Art und Weise eingebracht ist. Das Halbzeug 7 ist vor dem
Einbringen in die Form 4 auf seine Umformtemperatur, die
im materialabhängigen thermoelastischen
Temperaturbereich des Halbzeugs 7 liegt, erwärmt worden.
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Das
Halbzeug 7 wird pro zu erzeugendem Behältnis jeweils in einem kreisförmigen Bereich 8 mit
einem Durchmesser c in nicht näher
dargestellten und im Prozessablauf der Form 4 vorgeschalteten mehreren
Heizstationen erwärmt,
wobei die Heizstationen beispielsweise mit Kontaktheizplatten ausgeführte Temperiereinrichtungen
darstellen. Nach dem Erwärmen
des Halbzeuges 7 wird dieses in der in 2 dargestellten
Art und Weise zwischen die beiden Formhälften 2 und 3 der
Form 4 eingebracht. In der Vorrichtung 1 findet
selbst kei ne weitere Erwärmung
des Halbzeuges im kreisförmigen
Bereich 8 statt.
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Das
Halbzeug 7 wird dabei mit einem derartigen Abstand a zu
dem ersten Formteil 2 zwischen die beiden Formteile 2 und 3 eingebracht,
dass ein Kontakt zwischen dem Halbzeug 7 und dem Vorstreckstempel 6 vermieden
wird. Das bedeutet, dass der Abstand a des Halbzeuges 7 von
der dem zweiten Formteil 3 zugewandten Seite des ersten
Formteiles 2 größer ist
als das Maß b,
um welches der Vorstreckstempel 6 aus dem ersten Formteil 2 in
Richtung des zweiten Formteiles 3 vorkragt.
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Anschließend wird
das zweite Formteil 3 in Richtung des ersten Formteiles 2 bewegt,
wobei das Halbzeug 7 in der in 3 und 4 dargestellten Art
und Weise von dem zweiten Formteil 3 in Richtung des ersten
Formteiles 2 geführt
wird und in einem erwärmten
ringförmigen
Bereich 9 des kreisförmigen
Bereichs 8, der ein Kreisringsegment mit der Breite e bzw.
mit dem Außendurchmesser
c und dem Innendurchmesser d ist, auf dem unteren Formteil 3 aufliegt.
Dabei wird das Halbzeug 7 während des Schließvorganges
der Form 4 zunehmend über
den Vorstreckstempel 6 geführt und in einen vordefinierten
Verformungszustand gebracht.
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Da
das Halbzeug 7 während
des Schließvorganges
der Form 4 der Vorrichtung 1 zum Thermoformen
von thermoplastischen Halbzeugen noch nicht zwischen den beiden
Formteilen 2 und 3 eingeklemmt ist, kann aus dem
temperierten ringförmigen Bereich 9 während der
Vorverformungsphase des Halbzeugs Material des Halbzeuges 7 über den Durchmesser
d des Formteils 3 in den Innenraum 5 der Form 4 gezogen
werden. Die ses während
des Vorverformungsprozesses des Halbzeuges 7 nachgeführte Material
des Halbzeuges 7 in denn Innenraum 5 wird zusätzlich zu
dem ursprünglich
im Bereich des Innenraumes 5 angeordneten Materials des
Halbzeuges 7 verformt, wodurch eine geringere Reduzierung
bzw. Einschnürung
der Dicke des Halbzeugs 7 im nunmehr verformten Bereich
des Halbzeuges 7 auftritt, was zu einer höheren Festigkeit
des verformten Halbzeugs 7 bzw. des Formteils führt.
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Damit
besteht vorteilhafterweise generell die Möglichkeit, für den Thermoformprozess
Halbzeuge mit geringeren Materialstärken einzusetzen, wodurch einerseits
ein geringerer Materialeinsatz und andererseits ein reduzierter
Energieeinsatz beim Erwärmen
des Halbzeuges vor und während
des Thermoprozesses erforderlich ist.
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Die
in 4 dargestellte Prozessphase des Thermoformprozesses
zeigt die Form 4 der Vorrichtung 1 in geschlossenem
Zustand, wobei das Halbzeug 7 durch den in den Innenraum 5 vorkragenden Vorstreckstempel 6 in
seine vordefinierte Vorverformungslage gebracht ist.
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Anschließend wird
das vorgeformte Halbzeug 7 mit zwischen dem Vorstreckstempel 6 und dem
ersten Formteil 2 in den Innenraum 5 der Form 4 in
an sich bekannter Art und Weise zugeführter Druckluft derart beaufschlagt,
dass an dem Halbzeug 7 ein Druckgefälle anliegt. Dieses Druckgefälle führt dazu,
dass sich das aufgrund der Erwärmung
elastische und vorgeformte Halbzeug 7 weiter verformt und
an die durch das zweite Formteil 3 vorgegebene Kontur des
Innenraumes 5 der Form anpasst und an die Wandungen des
zweiten Formteiles 3 anlegt. Das Halbzeug 7 weist
dabei in der in 5 dargestellten Position seine
endgültige
Form auf.
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Das
zweite Formteil 3 ist an dem dem ersten Formteil 2 abgewandten
Ende des Innenraums 4 mit mehreren Entlüftungsbohrungen 10 ausgeführt, so dass
sich zwischen dem Halbzeug 7 und dem zweiten Formteil 3 während der
Beaufschlagung des vorgeformten Halbzeuges 7 mit Druckluft
kein dem endgültigen
Formprozess des Halbzeuges 7 entgegenwirkender Druck aufbauen
kann.
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Bei
einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Thermoformen von thermoplastischen, vorzugsweise folienartigen
Halbzeugen ist es vorgesehen, dass das während des endgültigen Verformungsprozesses
des Halbzeuges 7 an dem Halbzeug anliegende Druckgefälle über ein
in dem Innenraum 5 der Form 4 im Bereich zwischen
dem Halbzeug 7 und dem zweiten Formteil 3 über die
Entlüftungsbohrungen 10 erzeugtes
Vakuum an dem Halbzeug 7 angelegt wird, um das Halbzeug 7 in
die in 5 und 6 dargestellte endgültige Form
zu bringen.
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Die
Beaufschlagung des Halbzeugs 7 mit der Druckluft und der
Kontakt des Halbzeuges mit den Wandungen des zweiten Formteils 3 führt zu einem Abkühlen des
Halbzeugs 7 unter Formzwang auf eine Temperatur, bei der
das Halbzeug 7 bzw. das Formteil formstabil ist. Ist diese
Temperatur erreicht, wird das endgültig ausgeformte Halbzeug 7 in
der in 6 dargestellten Art und Weise durch Öffnen der Form 4 entformt
und kann aus der Vorrichtung 1 entnommen werden.
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Dazu
wird das zweite Formteil 3 derart von dem ersten Formteil 2 wegbewegt,
dass das geformte Halbzeug 7 ohne Kontakt mit den Formteilen 2, 3 oder
mit dem Vorstreckstempel 6 aus der Vorrichtung 1 geführt kann.
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Der
vorbeschriebene erfindungsgemäße Thermoformprozess,
bei dem das thermoplastische folienartige Halbzeug 7 in
nicht verklemmtem Zustand über
den Vorstreckstempel 6 geführt wird, bietet zudem den
Vorteil, dass das beim Vorverformungsprozess des Halbzeuges 7 auftretende
Gleiten des Halbzeuges 7 um den Vorstreckstempel 6 in
einer für
die Fertigungsgüte
des angestrebten Formteiles günstigeren
Art und Weise stattfindet als dies während des Vorverformungsprozesses
bereits verklemmter Halbzeuge der Fall ist.
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Die
höhere
Fertigungsgüte
ergibt sich u. a. daraus, dass durch den erfindungsgemäßen Thermoformprozess
hergestellte Formteile erheblich weniger Abschreckmarken aufweisen
als Formteile, welche nach herkömmlichen
Thermoformverfahren eingestellt werden.
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Insbesondere
bei der erfindungsgemäßen Herstellung
von Kaffeesahnebechern mit Längsrippen
stellt sich eine erheblich bessere Ausformung der Becher, insbesondere
im Bereich der Längsrippen,
im Vergleich zu nach herkömmlichen
Thermoprozessen hergestellten Produkten ein. Des Weiteren sind erfindungsgemäß hergestellte
Kaffeesahnebecher durch eine stabilere Becherform gekennzeichnet,
da während
des Vorverformungsprozesses des Halbzeuges kontinuierlich Material
des Halbzeugs in der vorbeschriebenen Art und Weise nachge führt wurde
und die hergestellten Kaffeesahnebecher nur wenig Abschreckmarken
aufweisen.